探討摻鐵鈮酸鋰的缺陷結構與物理性質

Abstract

本研究利用燃燒法其製程快速的特點來製備具有鈣鈦礦ABO3結構的非化學劑量比LiNbO3及摻雜Fe之LiNbO3?粉末，對其表面形貌、缺陷結構變化與鐵磁性等物理性質進行探討，做為多鐵材料的初步開發研究。 本研究利用DSC測得鐵電居理溫度，並透過鐵電居理溫度與Li濃度的關係式來獲得[Li]/([Li]+[Nb])的摩爾數比，其比值為46 55及49 24%。發現燃燒法製程的晶體缺陷結構較多，導致LiNbO3有相分離的現象。摻雜Fe之LiNbO3其摻雜濃度在0 56~3 314 mol%，但隨著摻雜Fe濃度變高，摩爾數比值為46 55%的相會消失，顯示摻雜鐵於LiNbO3?晶體中會使缺陷較多的相消失進而穩定晶體結構。在表面型貌方面，粉末的晶體尺寸則約為100~200 nm，並不隨Fe的摻雜而有明顯的變化。 本研究先利用不同空缺模型透過Rietveld方法來精算非化學劑量比的LiNbO3結構，發現混合空缺模型及Li空缺模型較合適解釋其缺陷結構，而Nb空缺模型則因為過多的反位鈮(Nb*)存在A位的假設導致結構不合理的扭曲。 同時我們也利用XPS、UV-Vis及Raman光譜分析摻雜Fe之LiNbO3，得知Fe以二價及三價混合進入LiNbO3結構中，取代A位的Li，且無電荷補償現象。在A位中依舊留有Nb*及其空缺，但B位的Nb有位移現象，推估是Nb*被推回B位中。 接著我們再進一步利用混合空缺模型及Li空缺模型合併上述觀察的假設來分析摻雜Fe之LiNbO3晶格結構。其中，混合空缺模型合併部份Nb*被推回B位的假設下的模擬結果，是當中最合適解釋摻雜Fe之 LiNbO3缺陷結構的推論。我們可以發現隨著摻雜Fe濃度越高，O-Nb-O和O-Li/Fe-O鍵角改變而使得Li/Fe-Nb鍵長縮短，LiO6與NbO6兩架構更靠近，不含陽離子的氧八面體(? O6)架構在xy平面上會變細長緊縮，也使Li/Fe的原子位置沿著c軸上升。但同時，隨著摻雜Fe濃度越高，Nb*被推回B位也越多，Nb空缺(VNb)消失越多，則會減緩晶格扭曲，以上因素互相競爭，導致晶格常數變化並不明顯。 本研究發現摻雜Fe之LiNbO3晶體皆具有室溫軟鐵磁性。當摻雜濃度增加至1 3 mol%以上，飽和磁化率呈現非線性的增加，最大的飽和磁化率為1 18 emu/g。另外，矯頑磁場也有非線性增加，最高值為93 Oe，但在3 314 mol%有些微下降。推估是因為Nb*被推回B位越多，Nb空缺(VNb)消失越多，而使Fe-Nb之間的距離縮短，導致整體Fe-Nb自旋耦合將更為強烈，使飽和磁化率有非線性的增加，然而當Fe-Nb太靠近時，矯頑磁場則會些微下降。

Date of Award	2017 Aug 28
Original language	Chinese
Supervisor	Jui-Chao Kuo (Supervisor)